Инновационные разработки в противообледенительной системе воздушных судов

Воздушное судно (ВС) эксплуатируется в тяжелых атмосферных условиях. На летательный аппарат воздействует множество факторов, влияющих на его характеристики, а самое главное – на безопасность полета. Обеспечение безопасности полета, особенно в сложных метеорологических условиях, в том числе в условиях обледенения представляется одной из важнейших задач современной авиации [1].

Серьезное влияние на ВС оказывает эффект обледенения его рабочих поверхностей. Дело в том, что капли воды, находящиеся в атмосфере, могут пребывать в переохлаждённом виде, при этом сохраняя жидкое состояние до низких минусовых температур. В основном подавляющее количество переохлаждённой воды содержится именно в облаках, в виде дождя и мокрого снега. Основная опасность – при контакте капель воды с поверхностями летательного аппарата начинается процесс кристаллизации жидкости, что в конечном итоге приводит к образованию слоя льда на поверхностях ВС. Такому опасному процессу, как обледенение, подвержены следующие поверхности воздушного судна: передние кромки крыла, стабилизатора и киля, лопасти и втулки воздушных винтов, воздухозаборники носовой части фюзеляжа, а также другие устройства, выступающие в поток воздуха.

Образование слоя льда на поверхностях негативно влияет на аэродинамические свойства летательного аппарата. Следствием обледенения становится увеличение массы ВС, а также другие более серьезные нежелательные явления. Например, изменение профиля крыла, что в свою очередь приводит к росту аэродинамического сопротивления, возникновению местных срывов потока. В авиационной практике известны происшествия и даже катастрофы, которые произошли вследствие возникновения данного эффекта.

Для того, чтобы сделать полет более безопасным и неуязвимым к последствиям заледенения, воздушные судна оснащают специальными системами сигнализации обледенения и противообледенительными системами (ПОС) для защиты от обмерзания наиболее значимых и уязвимых поверхностей планера [2].

Обеспечение эффективности и исправной работоспособности противообледенительной системы представляет собой одну из наиболее актуальных проблем и задач современного конструирования самолета. Качество и эффективность работы ПОС непосредственно влияет как на тягу двигателя, так и на устойчивость летательного аппарата в полете [3].

В последнее время ведутся активные работы по созданию принципиально новых и усовершенствованию уже имеющихся систем сигнализации и противообледенительных систем самолета. Эти мероприятия проводятся с целью повышения эффективности работы системы, а также снижения веса.

Одной из инновационных разработок в области противообледенения самолета стала система, сконструированная канадской компанией Podium Aerospace. Данная компания изобрела малогабаритную оптическую систему, которая имеет способность обнаруживать корку льда, образующуюся на деталях первостепенной важности турбореактивного двигателя. Новая система основана на LED-излучателях и позволяет пилотам своевременно овладевать информацией о начале появления ледяной корки в двигателях.

Эта система канадской компании представляет собой пару наклоненных друг навстречу другу LED-излучателей и фотодиода. Диоды прикрыты светопропускающим материалом, в то время как световые излучатели установлены так, чтобы при нормальных условиях их световое излучение проходило сквозь прозрачное окошко. При начале процесса кристаллизации на поверхности окошка излучения светодиодов будет отражаться в сторону фотодиода, и система направит сигнал в кабину экипажа об образовавшемся обледенении.

На данный момент в авиации насчитывают четыре основных типа противообледенительных систем: электрический, химический, механический и воздушно-тепловой. В первом случае обледенение удаляется электрическим нагревом токопроводящих нитей, как правило, состоящих из нихрома – сплава, состоящего из никеля, хрома и других добавок. Химический тип противообледенительных систем подразумевает распыление на крыло в полете противообледенительного реагента, в качестве которого обычно применяется спирт. Механическая система предполагает установку на обшивке небольших газовых объемов, которые в полете наполняются сжатым воздухом, раздуваются и уничтожают корку кристаллизованной воды. Наконец, при воздушно-тепловом типе системы в специальные трубки в крыле подается нагретый горячий воздух от силовых установок, что приводит к исчезновению образовавшейся ледяной корки. Каждая из представленных выше систем имеет свои преимущества и недостатки. Стоит отметить, что в гражданской авиации широкое распространение получил электрический типа ПОС.

Так, например, в начале 2019 года Германский аэрокосмический центр (DLR) обнародовал информацию о создании и начале проведения испытаний новой противообледенительной системы самолетов, относящейся к электрическому типу, которая позволит бороться с заледенением рабочих поверхностей воздушного судна.

Рис. Испытания прототипа новой противообледенительной системы DLR

Как сообщает Intelligent Aerospace, в основе инновационной системы лежат токопроводящие углеволокна. Углеволокно монтируется к передней части кромки крыла и соединяется проводами к бортовому источнику питания. При подаче электрического напряжения происходит выделение энергии в виде тепла, растапливая ледяной налет на передней кромки крыла.

Принципиальным отличием углеволоконных систем от электрических, в конструкции которых используется нихромовая проволока, является меньшая масса и энергопотребление. Кроме того, разработанная немецкими учеными система имеет большую механическую прочность, что также можно отнести к достоинствам данной системы. Первые продувочные испытания в холодной аэродинамической трубе в условиях образования льда продемонстрировали высокую эффективность углеволоконной противообледенительной системы [4].

Таким образом, модернизация противообледенительных систем не теряет актуальность и по сей день, активно ведутся работы по созданию новых и улучшению существующих типов системы.